硅烷改性沸石pdms+杂化渗透汽化膜的制备及其分离性能研究

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1、硅烷改性沸石/PDMS杂化渗透汽化膜的制备及其分离性能研究1，211，21，2111*伊守亮，苏仪，周浩力，宋伟杰，陈向荣，沈飞，万印华1(中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100080；2中国科学院研究生院，北京100049)摘要：采用硅烷偶联剂对全硅沸石进行表面改性，以聚二甲基硅氧烷为基体，制备了渗透汽化杂化膜。以低浓度乙醇/水体系为研究对象，以渗透通量和分离系数为评价指标，考察了料液组成、进料温度等因素对硅烷改性沸石/PDMS杂化膜分离性能的影响。结果表明，随着料液温度的升高、料液流速的增加、料液浓度的提

2、高，渗透通量都呈增大趋势；料液浓度对分离因子变化较大，而温度对膜的分离选择性影响较小。关键词：聚二甲基硅氧烷；渗透汽化；杂化膜；硅烷偶联剂；改性随着世界石油资源的日益紧缺，通过发酵方法生产的乙醇作为可再生的清洁能源，其需求量逐渐增大。传统的乙醇连续发酵模式都没有在发酵的同时对产物乙醇进行有效的分离，因此无法实现长期高效的发酵操作。将优先透醇渗透汽化膜技术与发酵过程耦合，进行原位分离乙醇，可以减小产物对发酵过程的抑制[1,2]作用，实现长期的连续发酵。优先透醇的膜材料通常是极性低、表面能低、溶解度小的聚合物。迄今研究较多的有硅橡胶、

3、含氟聚合物等，其中PDMS(聚二甲基硅氧烷，又称硅橡胶)是一种综合性能较好的优先透醇膜材料。但和优先透水型膜材料相比，PDMS膜对低浓度乙醇/水体系的分离因子还不是很高，因此，许多研究者对硅橡胶膜材料进行改性研究以提高分离选择性。其中研究较多的是在PDMS中加入适当的填充物进行共混，从而制得有机/无机杂化膜，这样可以在一定程度上改善PDMS膜的分离性能，但在实际操作时发现，填充颗[3]粒很容易团聚，而且随着填充量的加大，团聚现象更加严重，在膜内不易均匀分散，从而限制了膜的分离性能的进一步提高。本文采用直接掺混法制备了有机硅烷改性沸

4、石/PDMS杂化膜，优化了制膜配方，并以低浓度乙醇/水体系为模型溶液，考察了料液温度、料液浓度等因素对硅烷改性杂化膜分离性能的影响。1实验1.1原料与试剂6α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(PDMS)，相对分子质量（3~5）×10，北京化工股份有限公司；二丁基国家973计划资助课题（2007CB714305）.作者简介：伊守亮（1979－），男，博士研究生，主要从事膜分离技术研究.*通讯作者.Email:yhwan@home.ipe.ac.cn二月桂酸锡、正硅酸乙酯、正庚烷、无水乙醇均为分析纯，北京化学试剂公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷

5、（KH550），北京申达精细化工有限公司；JEOL公司JSM-6700F场发射扫描电子显微镜。1.2PDMS均质膜与杂化膜的制备1.2.1PDMS均质膜的制备称取PDMS，按比例加入正庚烷、交联剂和催化剂，搅拌均匀并静置脱泡，将其倾倒在有机玻璃板上，用自制刮刀刮膜，放置过夜，使其交联成膜。1.2.2PDMS/silicalite杂化膜的制备称取一定量的PDMS，按比例加入正庚烷、交联剂、催化剂后充分搅拌使之混合均匀，然后加入silicalite-1，其余步骤和均质膜相同。铸膜液中PDMS、正硅酸乙酯、二丁基二月桂酸锡的质量比例与均

6、质膜相同，沸石填充量均为60%。1.2.3硅烷改性PDMS/silicalite杂化膜的制备参照1.2.2部分，在加入silicalite-1并充分混匀后加入硅烷偶联剂，其余步骤与1.2.2相同。实验中铸膜液中PDMS、正硅酸乙酯、二丁基二月桂酸锡的质量比例与均质膜相同，沸石填充量均为60%。1.3渗透汽化实验2渗透汽化耦合实验装置如图1所示。料液罐体积为3.5L，有效膜面积为72.34cm。料液温度由精密恒温水浴控制。透过膜的渗透气体在下游用两级液氮冷凝装置收集于冷阱中，其组成由气相色谱测定。渗透侧真空度由真空计测定。将两级冷凝

7、器中收集到的所有液体混合后作为膜的渗透物对系统性能进行分析和评价。7586839947210111991.精密水浴；2.料液罐；3.电动搅拌；4.蠕动泵；5.流量计；6.渗透汽化膜器；7.真空计：8.三通9.冷阱：10.缓冲瓶：11.真空泵图1渗透汽化实验装置示意图Fig.1Aschematicdiagramofpervaporationsystem渗透汽化膜的性能主要有两个评价指标，即渗透通量（J）与分离系数（α）。渗透通量是单位面积在2单位时间内渗透过膜的物质量，通常用的单位是g／(m·h)，由下式计算：WJ=At2式中，W为

8、透过液的质量，g；A为渗透汽化膜的有效面积，m；t为取样时间间隔，h。分离系数α表示膜分离效率的高低，通常用下式表示：YY/EWα=X/XEW式中，X和Y分别表示原料液与透过液的体积分数，下角标E和W分别代表乙醇和水。2结果与讨论2.1三种膜分离性